Как компьютеры взаимодействуют друг с другом в сети
Обновлено: 06.07.2024
Начиная разговор о построении корпоративных сетей, вначале необходимо определиться с базовыми понятиями, которые будут использованы далее.
Первым из них является понятие «сеть» (net, или network). Это слово в русском языке имеет много разных значений и применяется для определения различных взаимодействий. Сеть может быть телефонной или рыболовной, может быть компьютерной или радиотрансляционной. Мы будем говорить о построении корпоративных сетей, объединяющих компьютеры организации, которые чаще всего называются компьютерными, или вычислительными, сетями. Что же такое компьютерная сеть? Наверное, самым простым и общим будет следующее определение: сеть появляется тогда, когда двум или более компьютерам (а на самом деле пользователям этих компьютеров) есть что разделять. Под разделением понимается совместное использование ресурсов. Сам процесс разделения (совместного использования) сетевых ресурсов называется сетевым взаимодействием (networking).
Совместное использование ресурсов может осуществляться разными способами, зависящими от имеющихся в наличии компьютерных средств.
Первый способ взаимодействия предполагает полностью централизованную обработку информации и ее хранение, обеспечивая работу пользователей с терминалов. Часто эту модель взаимодействия называют «терминал-хост» (terminal-host).
Пользователь взаимодействует с ресурсами центрального компьютера, используя для решения своих задач его процессор, оперативную и дисковую память, а также периферийные устройства. При этом очень часто пользователь работает не один, а совместно с другими пользователями, то есть ресурсы центрального компьютера используются в режиме разделения. Центральный компьютер должен работать под управлением операционной системы, поддерживающей такое взаимодействие, которое называется централизованным (centralized computing).
Дальнейшее развитие компьютерной индустрии шло различными путями, увеличивались вычислительные мощности компьютеров, предназначенных для работы по взаимодействию «терминал-хост», появились и начали бурно развиваться персональные компьютеры. Персональные компьютеры полностью управляются пользователем, все ресурсы компьютера используются в монопольном режиме для решения задач пользователя. Несмотря на рост вычислительной мощности процессоров, не весь спектр задач может быть решен одним компьютером. Появилась необходимость создания нового взаимодействия, новой структуры, направленной на распределенную обработку информации (distributed computing). В этой модели взаимодействия каждый из компьютеров может решать свои задачи, появляется специализация компьютера.
Компьютеры объединяются в вычислительную сеть. Задачи распределяются по компьютерам сети, что позволяет расширить функциональные возможности каждого из них путем разделения доступа к другим компьютерам.
В настоящее время актуальной и быстроразвивающейся является задача объединения распределенных компьютерных ресурсов для выполнения (решения) общей задачи. Такая модель взаимодействия называется совместными, или объединенными, вычислениями (collaborative computing). При этом задача распределяется по компьютерам, компьютеры обмениваются между собой общими данными, суммарная вычислительная мощность и доступные ресурсы (оперативная и дисковая память) увеличиваются, повышается отказоустойчивость всей системы в целом с точки зрения решения задачи. Как правило, распределенное выполнение задачи контролируется специальной системой управления, которая при отказе одного из компьютеров переложит выполнение его части работы на оставшиеся компьютеры.
Сравнительно новой моделью сетевых взаимодействий является организация взаимодействий пользователей сети с сетевыми сервисами. С точки зрения пользователя, его взаимоотношения со множеством компьютеров подпадают под определение «клиент-сеть» (client-network). Для пользователя сети в общем-то не существенно, где конкретно в сети располагаются выделенные ему ресурсы, он должен только уметь обратиться к ним, используя принятую в сети систему обращений. При таком подходе существенно упрощается работа всех пользователей сети, а сами сетевые ресурсы и сервисы должны быть доступны пользователю в любой момент времени. Повышение уровня готовности сетевых сервисов требует соответствующих технических решений, например повышения отказоустойчивости или дублирования сервисов.
В компьютерной сети присутствует много различных компонентов. Самыми видимыми пользователям сети являются две. Это сервер сети и клиент. Сервер (server — в дословном переводе с английского означает «тот, кто обслуживает») сети предназначен для обслуживания поступающих от клиента (client) сети запросов. Другими словами, клиент всегда запрашивает обслуживание, а сервер всегда обслуживает клиента. В некоторых случаях клиент может выступать и в роли сервера, обеспечивая обработку запросов от других клиентов и запрашивая обслуживание у других серверов. По способу взаимодействия серверов и клиентов определяют два вида сетей: «клиент/сервер» (client-server) и «равный с равным» (peer-to-peer). Поскольку клиентом сети является пользователь, работающий на компьютере, то сам компьютер пользователя, подключенный к сети, определяется термином «рабочая станция» (workstation). Этот термин употребляется наравне с термином «компьютер».
Часто модели «клиент/сервер» и «равный с равным» могут одновременно существовать в одной сети. Сети, построенные по принципу «равный с равным», называют также одноранговыми сетями, в которых все компьютеры имеют одинаковый статус — ранг.
Файловый сервис обеспечивает выполнение задач по организации удаленного доступа, совместного использования, быстрого переноса и тиражирования, резервного копирования файлов. Этот сервис предусматривает наличие централизованных хранилищ файлов, эффективное использование их дисковых систем.
Сервис печати позволяет пользователям коллективно получать доступ к устройствам печати через ограниченное количество интерфейсов (как правило, устройство печати имеет один, реже два интерфейса), разделять дорогостоящее специализированное оборудование печати, устранять ограничения расстояний между компьютером пользователя и устройством печати, организовывать и обрабатывать очереди запросов на печать.
Сервис приложений предоставляет пользователям возможность совместно применять не только данные (как в файловом сервисе), но и вычислительную мощность сервера для выполнения задач. При этом задача пользователя выполняется на процессоре сервера. Сервер приложений имеет специализацию, он оптимизирован для выполнения конкретных задач и должен поддерживать возможности дальнейшего наращивания своей вычислительной мощности.
Сервис баз данных предназначен для организации централизованного хранения, поиска и обеспечения защиты данных. Этот сервис реализуется серверами баз данных, программно-аппаратными комплексами, оптимизированными для выполнения перечисленных задач, снижения времени доступа пользователя к информации, управления территориальным местоположением информации в сети.
Общие сведения о сетевых устройствах.
Другими компонентами сети являются средства организации канала передачи данных между клиентами и серверами сети. В общем случае канал передачи данных строится с использованием следующих компонентов: среды передачи данных — проводная (wire) или беспроводная (wireless) — и интерфейсных карт (network interface card, NIC), обеспечивающих взаимодействие компьютера со средой передачи данных. Однако это не единственные средства, используемые для соединения компьютеров и формирования самой вычислительной сети. Объединять компьютеры в сеть и обеспечивать их взаимодействие помогают сетевые аппаратные и аппаратно-программные средства. Эти средства можно разделить на группы по их основному функциональному назначению: соединительные разъемы (connectors), повторители (repeaters), преобразователи (adapters), модемы (modems), мосты (bridges), хабы (hubs), коммутаторы (switches), маршрутизаторы (routers).
Наиболее часто применяемые при построении сетей проводные среды передачи данных создаются с помощью кабельных соединений, в которых используется либо металлический проводник электрических сигналов, либо волоконно-оптический проводник световых сигналов.
Беспроводные среды передачи информации предусматривают организацию взаимодействия между компьютерами посредством передачи световых (инфракрасных) и радиочастотных сигналов.
С помощью сред передачи данных и некоторых аппаратно-программных средств обеспечения межкомпьютерного взаимодействия формируется физическая топология сети, осуществляются физические соединения всех компьютеров и других сетевых средств.
В компьютерной сети существует 7 уровней взаимодействия между компьютерами: физический, логический, сетевой, транспортный, уровень сеансов связи, представительский и прикладной. Данную взаимосвязь между компьютерами описывает модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI), которая определяет различные уровни взаимодействия систем в сетях с коммутацией пакетов, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень.
Физический уровень (Physical Layer) определяет электрические, механические, процедурные и функциональные спецификации и обеспечивает для канального уровня установление, поддержание и разрыв физического соединения между двумя компьютерными системами, непосредственно связанными между собой с помощью передающей среды, например, аналогового телефонного канала, радиоканала или оптоволоконного канала.
Канальный уровень (Data Link Layer) управляет передачей данных по каналу связи. Основными функциями этого уровня являются разбиение передаваемых данных на порции, называемые кадрами, выделение данных из потока бит, передаваемых на физическом уровне, для обработки на сетевом уровне, обнаружение ошибок передачи и восстановление неправильно переданных данных.
Сетевой уровень (Network Layer) обеспечивает связь между двумя компьютерными системами сети, обменивающимися между собой информацией. Другой функцией сетевого уровня является маршрутизация данных (называемых на этом уровне пакетами) в сети и между сетями (межсетевой протокол).
Транспортный уровень (Transport Layer) обеспечивает надежную передачу (транспортировку) данных между компьютерными системами сети для вышележащих уровней. Для этого используются механизмы для установки, поддержки и разрыва виртуальных каналов (аналога выделенных телефонных каналов), определения и исправления ошибок при передаче, управления потоком данных (с целью предотвращения переполнения или потерь данных).
Сеансовый уровень (Session Layer) обеспечивает установление, поддержание и окончание сеанса связи для уровня представлений, а также возобновление аварийно прерванного сеанса. Уровень представления данных (Presentation Layer) обеспечивает преобразование данных из представления, используемого в прикладной программе одной компьютерной системы в представление, используемое в другой компьютерной системе. В функции уровня представлений входит также преобразование кодов данных, их шифровка/расшифровка, а также сжатие передаваемых данных.
Прикладной уровень (Application Level) отличается от других уровней модели OSI тем, что он обеспечивает услуги для прикладных задач. Этот уровень определяет доступность прикладных задач и ресурсов для связи, синхронизирует взаимодействующие прикладные задачи, устанавливает соглашения по процедурам восстановления при ошибках и управления целостностью данных. Важными функциями прикладного уровня является управление сетью, а также выполнение наиболее распространенных системных прикладных задач: электронной почты, обмена файлами и других.
Основы сетевого взаимодействия компьютеров (часть 1)
Октябрь 30th, 2019 | Автор: Администратор
Для того, чтобы разрабатывать сети на базе TCP/IP и управлять ими, идентифицировать компоненты сетевой инфраструктуры, осуществлять мониторинг и анализировать производительность сети, нужно понимать основы сетевого взаимодействия компьютеров.
Как можно охарактеризовать сети?
Использовать можно следующие характеристики:
Сетевые стандарты.
Нужно отметить что семиуровневая модель OSI не единственное теоретизирование, которое мы можем использовать для общего, абстрактного понимания взаимодействия устройств друг с другом в сети. Из наиболее употребимых существует так же модель TCP/IP. По первым четырем уровням она совпадает с моделью OSI, а пятый, шестой и седьмой в модели OSI, в модели TCP/IP объединены в один уровень Application.
Инкапсуляция и деинкапсуляция.
Получается что каждый последующий уровень добавляет свои заголовки к отправляемым данным, сохраняя заголовки предыдущих уровней. Данные инкапсулируются по принципу матрешки. На втором уровне кроме заголовка, добавляется контрольная сумма.
Деинкапсуляция на примере модели OSI
Основы сетевого взаимодействия компьютеров (часть 2)
Рассмотрим, как компьютеры взаимодействуют в сети. Чтобы работа стала возможной, сначала нужно соединить между собой всех участников сети. Для этих целей применяются сетевые кабели различных типов, телефонные или спутниковые каналы, все более популярными становятся беспроводные решения. При использовании кабелей требуются коннекторы, закрепленные на их концах. Кабель одним концом вставляется в сетевой адаптер - специальную печатную плату, установленную в компьютер и позволяющую подключить его к сети, другим - в устройство связи. В современных компьютеров сетевой адаптер встроенный. Если используется беспроводной сетевой адаптер, то взаимодействие с сетью происходит за счет передачи радиосигналов между адаптером и точкой доступа, соединенной с локальной сетью. Однако соединить компьютеры недостаточно - нужно "научить их разговаривать" друг с другом. Для этого требуются сетевые операционные системы, поддерживающие один и тот же набор протоколов, или языков, с помощью которых компьютеры общаются по сети.
Способы доступа к среде передачи данных. Базовые сетевые топологии
В этой топологии все компьютеры соединяются одним кабелем (рис. 4). Посланные данные передаются всем компьютерам, но обрабатывает их только тот компьютер, аппаратный MAC-адрес сетевого адаптера которого записан в кадре как адрес получателя. Эта топология исключительно проста в реализации и дешева, однако имеет ряд существенных недостатков, главными из которых являются: в каждый момент времени передачу может вести только один из компьютеров. Если передачу одновременно начинают несколько компьютеров, возникает искажение сигнала; "Шина" является пассивной топологией - компьютеры только "слушают" кабель и не могут восстанавливать затухающие при передаче по сети сигналы. Чтобы удлинить сеть, нужно использовать повторители, усиливающие сигнал перед его передачей в следующий сегмент.
"Кольцо"
В данной топологии каждый из компьютеров соединяется с двумя другими так, чтобы от одного он получал информацию, а второму - передавал ее (рис.5). Последний компьютер подключается к первому, и кольцо замыкается.
поскольку у кабелей в этой сети нет свободных концов, терминаторы здесь не нужны;
каждый из компьютеров выступает в роли повторителя, усиливая сигнал, что позволяет строить сети большой протяженности;
из-за отсутствия столкновений топология обладает высокой устойчивостью к перегрузкам, обеспечивая эффективную работу и др. преимущества…
сигнал в "кольце" должен пройти последовательно только в одном направлении, через все компьютеры, каждый из которых проверяет, не ему ли адресована информация, поэтому время передачи может быть достаточно большим;
подключение к сети нового компьютера часто требует ее остановки, что нарушает работу всех других компьютеров;
выход из строя хотя бы одного из компьютеров или устройств нарушает
работу всей сети;
чтобы избежать остановки работы при отказе компьютеров или обрыве кабеля, прокладывают два кольца, что существенно удорожает сеть и др. недостатки…
Активная топология "звезда"
Эта топология возникла на заре вычислительной техники, когда к мощному центральному компьютеру подключались все остальные абоненты сети. В такой конфигурации все потоки данных шли исключительно через центральный компьютер; он же полностью отвечал за управление информационным обменом между всеми участниками сети. Конфликты при такой организации взаимодействия в сети были невозможны, однако нагрузка на центральный компьютер была столь велика, что ничем другим, кроме обслуживания сети, этот компьютер, не занимался. Выход его из строя приводил к отказу всей сети, отказ периферийного компьютера или обрыв связи с ним на работе сети не сказывался.
"Звезда-шина" или "пассивная звезда"
Здесь периферийные компьютеры подключаются не к центральному компьютеру, а к пассивному концентратору, или хабу (рис.6). Последний, в отличие от центрального компьютера, никак не отвечает за управление обменом данными, а выполняет те же функции, что и повторитель, то есть восстанавливает приходящие сигналы и пересылает их всем остальным компьютерам и устройствам. Данная топология выглядит как "звезда" но, логически является топологией "шина". Несмотря на больший расход кабеля, характерный для сетей типа "звезда", эта топология имеет существенные преимущества перед остальными, что и обусловило ее широчайшее применение в современных сетях.
Надежность - подключение к центральному концентратору и отключение компьютеров не отражается на работе остальной сети; обрывы кабеля влияют только на единичные компьютеры; терминаторы не требуются. Легкость при обслуживании и устранении проблем.
Защищенность - концентрация точек подключения в одном месте позволяет легко ограничить доступ к жизненно важным объектам сети. Отметим, что при использовании вместо концентраторов мостов, коммутаторов и маршрутизаторов получается "промежуточный" тип топологии между активной и пассивной звездой. В этом случае устройство связи не только ретранслирует поступающие сигналы, но и производит управление их обменом. Способов непосредственного общения у компьютеров нет - разговаривать друг с другом компьютеры пока еще не научились. Чтобы общаться, им приходится прибегать к сетевым протоколам.
Протокол - набор правил и процедур, регулирующих порядок взаимодействия компьютеров в сети.
Читайте также: